近日，上海科技大學(xué)iHuman研究所徐菲課題組與華中科技大學(xué)劉劍峰團(tuán)隊(duì)合作，在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表了題為“Structural insights into the regulation of monomeric and dimeric apelin receptor”的研究論文，系統(tǒng)解析了愛(ài)帕琳肽受體（apelin receptor, APJR）在單體與二聚體狀態(tài)下的配體結(jié)合和信號(hào)調(diào)控機(jī)制，揭示了G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor, GPCR）二聚化對(duì)配體識(shí)別及信號(hào)調(diào)控的重要影響。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對(duì)GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的理解，也為肥胖、心血管疾病以及衰老相關(guān)的疾病新藥研發(fā)提供了重要的理論支撐。

徐菲課題組長(zhǎng)期致力于A(yíng)pelin受體研究，繼2017年率先在國(guó)際上發(fā)表首個(gè)APJR晶體結(jié)構(gòu)，以及2022年首次揭示APJR的單體/二聚體與下游Gi蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)后，此次利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)進(jìn)一步解析了APJR在結(jié)合內(nèi)源性多肽配體apelin-13時(shí), 以單體和二聚體狀態(tài)與Gi蛋白結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（APJR: Gi蛋白分別為1:1和2:1）(圖1)。此外，團(tuán)隊(duì)還解析了無(wú)配體狀態(tài)下（apo）的APJR二聚體結(jié)構(gòu)，并利用先前研究報(bào)道的功能性納米抗體（激動(dòng)劑JN241-9與拮抗劑JN241），系統(tǒng)考察了配體結(jié)合對(duì)APJR結(jié)構(gòu)及二聚體動(dòng)態(tài)變化的影響，揭示了在受體激活過(guò)程中，二聚體中兩個(gè)單體之間可能存在負(fù)向變構(gòu)調(diào)控的特征。

圖1：APJR二聚體-Gi和APJR單體-Gi復(fù)合物結(jié)合apelin-13的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。（a）兩種內(nèi)源性多肽配體對(duì)APJR產(chǎn)生的藥理學(xué)效應(yīng)模型。（b）Apelin13-APJR二聚體-Gi復(fù)合物和Apelin13-APJR單體-Gi復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖及三維結(jié)構(gòu)模型。

研究發(fā)現(xiàn)，APJR二聚體在結(jié)合不同配體（如Apelin和ELA兩種內(nèi)源性多肽）時(shí)展現(xiàn)出顯著的差異化結(jié)合模式：Apelin主要作用于與Gi蛋白結(jié)合的APJR單體（圖1），而ELA則同時(shí)作用于兩個(gè)APJR單體。同時(shí)，拮抗劑抗體JN241以及無(wú)配體狀態(tài)下（apo）的APJR二聚體結(jié)構(gòu)更為緊湊，而結(jié)合apelin-13以及G蛋白之后，二聚體內(nèi)部之間的距離變大（圖2）。值得關(guān)注的是，研究還解析了分別在有無(wú)G蛋白結(jié)合情況下的激動(dòng)劑抗體JN241-9與APJR的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖2）：在G蛋白不存在的情況下，結(jié)合激動(dòng)劑抗體JN241-9的APJR主要以二聚體形式存在；而當(dāng)G蛋白存在并結(jié)合時(shí)，結(jié)合激動(dòng)劑抗體JN241-9的APJR主要處于單體形式（圖2）。該研究首次揭示了G蛋白偶聯(lián)可能在A(yíng)PJR激活過(guò)程中起到促進(jìn)二聚體解離的作用。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬、突變與功能驗(yàn)證，并結(jié)合已解析的多個(gè)APJR不同功能狀態(tài)下的單體和二聚體結(jié)構(gòu)，全面揭示了APJR從非活性到活性狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制。這一系統(tǒng)性研究為理解APJR的信號(hào)傳導(dǎo)及調(diào)控提供了全新視角。

2：不同狀態(tài)下APJR二聚體與單體的構(gòu)象轉(zhuǎn)化。（a）JN241-APJR與apo-APJR結(jié)構(gòu)的疊合。（b）JN241-9-APJR二聚體復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)模型，APJR基本處于二聚體狀態(tài)。（c）JN241-9-APJR–Gi復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)模型，APJR基本處于單體狀態(tài)。（d）APJR二聚體由抑制狀態(tài)（JN241結(jié)合的對(duì)稱(chēng)二聚體）轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)（apelin-13結(jié)合的非對(duì)稱(chēng)二聚體）。疊加基于ProtB，并用紅色箭頭標(biāo)注ProtA從抑制到激活狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)。

Apelin受體因其在肥胖、心血管疾病、肌肉再生及衰老過(guò)程中的關(guān)鍵作用，被認(rèn)為是頗具潛力的藥物靶點(diǎn)，特別是與目前廣泛開(kāi)發(fā)的GLP-1R靶點(diǎn)聯(lián)合作用，顯示了卓越的減肥增肌療效，具有廣闊的藥物研發(fā)前景。相較于多肽和小分子藥物，抗體等大分子藥物在慢性代謝類(lèi)疾病治療中具有更優(yōu)越的長(zhǎng)效性和安全性。本研究首次揭示了兩個(gè)功能性納米抗體結(jié)合APJR的分子機(jī)制，提供了抗體與靶點(diǎn)相互作用的清晰圖譜，為抗體藥物設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了精準(zhǔn)模板。徐菲課題組針對(duì)Apelin受體的長(zhǎng)期系統(tǒng)性研究以及對(duì)一系列復(fù)合物結(jié)構(gòu)的深入解析為GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和藥理學(xué)領(lǐng)域提供了新思路，也為開(kāi)發(fā)針對(duì)心力衰竭、肥胖及衰老相關(guān)疾病的創(chuàng)新藥物奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

上海科技大學(xué)iHuman研究所高級(jí)工程師岳洋、iHuman研究所副研究員武麗杰、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2024屆博士研究生劉立爾以及華中科技大學(xué)副研究員許嬋娟為該論文共同第一作者；華中科技大學(xué)劉劍峰教授和上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所、生命學(xué)院常任正教授徐菲為共同通訊作者。上海科技大學(xué)為第一完成單位。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55555-6